特開 2024-103344 微粒子センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024103344

(43)【公開日】2024-08-01

(54)【発明の名称】微粒子センサ

(51)【国際特許分類】

   G01N 15/06 20240101AFI20240725BHJP

   G01N 15/00 20240101ALI20240725BHJP

   G01N 15/075 20240101ALI20240725BHJP

【ＦＩ】

G01N15/06 D

G01N15/00 C

G01N15/06 C

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023007623

(22)【出願日】2023-01-20

(71)【出願人】

【識別番号】000002303

【氏名又は名称】スタンレー電気株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000888

【氏名又は名称】弁理士法人山王坂特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】高橋 洸稀

(72)【発明者】

【氏名】山岸 一郎

(57)【要約】

【課題】コンパクトな構成で、粒径が２種類以上の粒子の濃度を一度に計測可能な装置を提供する。
【解決手段】粒子が含まれた空気を取り込む取込口と、取込口に入口が接続された取込流路と、取込流路の出口に設けられた、第１粒径以下の粒子を含む第１の空気と、第１粒径より大きい粒子を含む第２の空気とに分流する分粒空間を備える。分粒空間には、第１分流路および第２分流路の入口が配置される。発光部は、第１分流路および第２分流路をそれぞれ流れてきた第１の空気と第２の空気に光を照射する。第１受光部および第２受光部は、第１の空気と第２の空気にそれぞれ含まれる粒子により散乱した光をそれぞれ受光する。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

粒子が含まれた空気を取り込む取込口と、
前記取込口に入口が接続され、前記取込口から取り込まれた空気を取り込んで流す取込流路と、
前記取込流路の出口に設けられ、当該取込流路を流れてきた空気を、所定の第１粒径以下の粒子を含む第１の空気と、前記第１粒径より大きい粒子を含む第２の空気とに分流する分粒構造部と、
前記分粒構造部にそれぞれ入口が配置され、前記第１の空気を流す第１分流路および前記第２の空気を流す第２分流路と、
前記第１分流路および第２分流路をそれぞれ流れてきた前記第１の空気と前記第２の空気に光を照射する１つの発光部と、
前記第１の空気と第２の空気にそれぞれ含まれる粒子により散乱した光をそれぞれ受光する第１受光部および第２受光部とを有し、
前記第１分流路および第２分流路の出口は隣接しており、前記発光部から照射された光の光路が横切る照射空間に、それぞれ前記第１の空気および前記第２の空気が流れ込むように配置され、
前記発光部は、照射した光は、前記照射空間内の前記第１分流路の出口の前と、前記第２分流路の出口の前をこの順に通過するように配置され、
前記第１受光部は、前記第１分流路の出口に受光面を向けて配置され、前記第２受光部は、前記第２分流路の出口に受光面を向けて配置されていることを特徴とする微粒子センサ。

【請求項2】

請求項１に記載の微粒子センサであって、前記分粒構造部は、前記取込流路の出口に配置された分粒空間を有し、
前記第２分流路の入り口は、前記取込流路の出口から流れ出た空気が直進して流れ込むように、前記分粒空間を挟んで、前記取込流路の出口と向い合わせに配置され、
前記第１分流路の入り口は、前記取込流路の出口から流れ出た空気が屈曲して流れ込むように、中心軸が、前記取込流路の出口の中心軸と交差する向きで、前記分粒空間に接続されていることを特徴とする微粒子センサ。

【請求項3】

請求項１に記載の微粒子センサであって、前記取込流路の出口において、流れる空気の流速を高めるために、流路径が狭められていることを特徴とする微粒子センサ。

【請求項4】

請求項１に記載の微粒子センサであって、前記第２分流路の途中には、当該第２分流路を流れてきた第２の空気から、前記第１粒径より大きい所定の第２の粒径より大きい粒子を含む第３の空気を分流して、第３分流路に流入させる第２分粒構造部が設けられていることを特徴とする微粒子センサ。

【請求項5】

請求項４に記載の微粒子センサであって、前記第２分流路は、所定の曲率で湾曲しており、
前記第２分粒構造部は、湾曲した前記第２分流路の外周側の側面に設けられた開口であり、
前記第３分流路の入り口は、前記開口に接続されていることを特徴とする微粒子センサ。

【請求項6】

請求項１に記載の微粒子センサであって、前記第２分流路は、前記第２分粒構造部の手前で、当該前記第２分流路を流れる前記第２の空気の流速を減速させるために、流路径が広げられていることを特徴とする微粒子センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、空気中の微粒子の濃度を測定する装置に関する。

【背景技術】

【0002】

空気中の粒子状物質（ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ ｍａｔｔｅｒ）の量を測定する装置が知られている。

【0003】

例えば、特許文献１には、空気にレーザー光を照射して散乱光により粒径２．５μｍ以下の超微粒子（ＰＭ２．５）を検出する装置が開示されている。特許文献１の検出装置は、空気中の粒径２．５μｍ以下の水玉を、ＰＭ２．５であると誤検出するのを防ぐため、予め空気を電気加熱手段により加熱する。

【0004】

一方、特許文献２には、重力沈降により、粒径１０μｍ程度以下の微小粒子と、３０μｍ程度の花粉粒子と、５０μｍ程度以上の粗大粒子とを分別して、３０μｍ程度の花粉粒子を計数する計測方法が提案されている。具体的には、ファンにより大気を第１流路管に通して計測装置内に流入させる際に、大気の流入速度を、粒径５０μｍ程度以上の粒子の沈降速度より小さくすることにより、粒径５０μｍ程度以上の粗大粒子を第１流路管の底部に蓄積させる。さらに、第１流路管で分別した粒子群を計測装置の第２流路管の排気口から大気に排出する排出速度を、粒径３０μｍ未満の花粉粒子の沈降速度より大きくすることにより、粒径３０μｍ程度未満の微小粒子を外気に排出する。これにより、計測装置は、装置内に残った３０μｍ程度の花粉粒子を計数することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特表２０１９－５２３８９０号公報

【特許文献2】特表２００１－１８３２８４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１の装置は、ＰＭ２．５のみを計測する装置であり、特許文献２の装置は、ＰＭ３０のみを検出する装置である。そのため、同時に、複数種類の粒径の粒子状物質の濃度をそれぞれ検出することはできない。

【0007】

従来の装置を２台以上配置することにより、複数種類の粒径の粒子状物質の濃度をそれぞれ検出することは可能になるが、２台分以上の設置スペースが必要になるため。

【0008】

本発明の目的は、粒径が２種類以上の粒子の濃度を１つのセンサ装置で計測可能な微粒子センサを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記目的を達成するために、本発明の微粒子センサは、粒子が含まれた空気を取り込む取込口と、取込口に入口が接続され、取込口から取り込まれた空気を取り込んで流す取込流路と、取込流路の出口に設けられ、当該取込流路を流れてきた空気を、所定の第１粒径以下の粒子を含む第１の空気と、第１粒径より大きい粒子を含む第２の空気とに分流する分粒構造部と、分粒構造部にそれぞれ入口が配置され、第１の空気を流す第１分流路および第２の空気を流す第２分流路と、第１分流路および第２分流路をそれぞれ流れてきた第１の空気と第２の空気に光を照射する１つの発光部と、第１の空気と第２の空気にそれぞれ含まれる粒子により散乱した光をそれぞれ受光する第１受光部および第２受光部とを有する。第１分流路および第２分流路の出口は隣接しており、発光部から照射された光の光路が横切る照射空間に、それぞれ第１の空気および第２の空気が流れ込むように配置されている。発光部は、照射した光は、照射空間内の第１分流路の出口の前と、第２分流路の出口の前をこの順に通過するように配置されている。第1受光部は、第１分流路の出口に受光面を向けて配置され、第２受光部は、第２分流路の出口に受光面を向けて配置されている。

【発明の効果】

【0010】

本発明の微粒子センサは、粒径が２種類以上の粒子の濃度を１つの微粒子センサで計測することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】（ａ）本発明の一実施形態の微粒子センサ１の正面図、（ｂ）その上面図。

【図2】（ａ）実施形態の微粒子センサ１の回路構成を示すブロック図、（ｂ）車両１０のダッシュボードに取り付けられた微粒子センサ１を示す図、（ｃ）微粒子センサ１の測定結果が表示されるエアコンパネル４を示す図。

【図3】実施形態の微粒子センサ１の各部品の斜視図。

【図4】実施形態の微粒子センサ１のＡ－Ａ断面図。

【図5】図４の拡大図。

【図6】実施形態の微粒子センサ１のＢ－Ｂ断面図。

【図7】（ａ）実施形態の微粒子センサ１のＣ－Ｃ断面図、（ｂ）実施形態の微粒子センサ１のＡ－Ａ断面図。

【図8】（ａ）実施形態の微粒子センサ１の光路を示す図、（ｂ）粒子による光の散乱方向を示す図。

【図9】（ａ）実施形態の微粒子センサ１の基板２３の位置の断面図、（ｂ）実施形態の微粒子センサ１のＤ－Ｄ断面図。

【図10】（ａ）実施形態の微粒子センサ１の発光部の構成を示すブロック図、（ｂ）実施形態の微粒子センサ１の受光部の構成を示すブロック図、（ｃ）実施形態の微粒子センサ１のＡ－Ａ断面図。

【図11】（ａ）および（ｂ）実施形態の微粒子センサ１の受光素子１１１ａと受光素子１１２ａの出力電流の時間変化を示すグラフ、（ｃ）および（ｄ）は、受光素子１１１ａと受光素子１１２ａの出力電流の時間積分を示すグラフ。

【発明を実施するための形態】

【0012】

本発明の一実施形態について図面を用いて以下に説明する。

【0013】

＜＜＜実施形態１＞＞＞
実施形態１の微粒子センサ１の構造について説明する。

【0014】

図１（ａ）および（ｂ）は、微粒子センサ１の正面図および上面図である。図２（ａ）は、微粒子センサ１の回路構成を示すブロック図であり、図２（ｂ）は、車両１０のダッシュボードに取り付けられた微粒子センサ１を示し、図２（ｃ）は、微粒子センサ１の測定結果が表示されるエアコンパネル４を示す。

【0015】

図１（ａ）のように、微粒子センサ１は、上面に空気を取り込む取込口１０１を、下面に排出口１０７を備えている。微粒子センサ１は、図２（ｂ）に示すように、車両１０のダッシュボードの運転手席の運転手の膝付近に上面の取込口１０１が露出するように取り付けられる。排出口１０７は、車両の空調システム（ＨＶＡＣ：Heating, Ventilation, and Air Conditioning）に接続され、吸引される。これにより、車室内の空気は、微粒子センサ１を通ってＨＶＡＣへと運ばれる。

【0016】

この時に、微粒子センサ１は、微粒子センサ１内を通る空気に含まれる粒子状物質を粒径により３種類に分粒し、そのうち２種類の粒径範囲の粒子の濃度を測定する。

【0017】

また、ここでは、微粒子センサは、温湿度を測定する機能も備えている。微粒子濃度も温湿度も車室内の空気の状態であるためＨＶＡＣによる空気の流れを活用して同一センサ内で測定する。

【0018】

図２（ａ）に示すように、測定結果は、微粒子センサ１内でデジタル信号にデータ変換され、車両１０のＬＩＮ（Local Interconnect Network）２とエアコンＥＣＵ３を経由して、エアコンパネル４へ送られ、エアコンパネル４内に表示される。

【0019】

＜微粒子センサ１の構成＞
図３に、微粒子センサ１の部品図を示す。図４および図５は、微粒子センサ１のＡ－Ａ断面図およびその拡大図である。図６および図７は、微粒子センサ１のＢ－Ｂ断面図およびＣ－Ｃ断面図である。なお、図４から図７において、ハッチングを付した部分と、グレーで着色した部分は、断面を表す。

【0020】

図３等に示すように、微粒子センサ１は、内部に流路１０２等が形成されたケース２１と、取込口１０１が形成整されたフロントカバー２５と、レンズ１１０ｂ、１１１ｂ、１１２ｂと、発光素子１１０ａ、受光素子１１１ａ，１１２ａ、増幅回路１１３およびマイコン（ＣＰＵ）１１４等が搭載された回路基板２３と、カバー２４とを組み立てた構造である。

【0021】

微粒子センサ１のフロントカバー２５には、図３、図４等に示すように、粒子状物質が含まれた空気を取り込む取込口１０１が形成されている。

【0022】

ケース２１内には、取込流路１０２と、分粒空間１０３と、第１分流路１０４と、第２分流路１０５と、第３分流路１０６と、発光部１１０と、受光部１１１，１１２と、排出口１０７が形成されている。

【0023】

取込流路１０２の入口１０２ａは、取込口１０１に接続されている。取込流路１０２の出口は、分粒空間１０３に接続されている。取込流路１０２は、取込口１０１から取り込まれた空気を取り込んで分粒空間１０３まで流す流路である。

【0024】

図４および図５に示すように、第２分流路１０５の入口１０５ａは、分粒空間１０３を挟んで、取込流路１０２の出口１０２ｂと向い合わせに配置されている。一方、第１分流路１０４の入口１０４ａは、その中心軸が、取込流路１０２の出口１０２ｂの中心軸と交差する向きで、分粒空間１０３に接続されている。これにより、取込流路１０２の出口１０２ｂから分粒空間１０３内へ流れ出た空気の流れのうち、直進する流れは、対向配置された第２分流路１０５の入口１０５ａに流れ込む。一方、取込流路１０２の出口１０２ｂから分粒空間１０３内へ流れ出た空気の流れの一部は、第１分流路１０４が入口１０４ａから吸引する風力Ｆ１により引っ張られて屈曲し、入口１０４ａから第１分流路１０４内に流れ込む。

【0025】

このとき、予め定めた第１粒径（ここでは２．５μｍ）より大きい粒子は、慣性力により直進して第２分流路１０５の入口１０５ａに流れ込み、第１粒径以下の粒子は、第１分流路１０４に吸引されて屈曲する空気の流れと共に第１分流路１０４の入口１０４ａに流れ込む。これにより、第１粒径以下の粒子（ＰＭ２．５）を含む第１の空気と、第１粒径より大きい粒子を含む第２の空気とに分流することができる。すなわち、分粒空間１０３と、取込流路１０２の出口１０２ｂと、第１分流路１０４の入口１０４ａと、第２分流路１０５の入口１０５ａの配置は、分粒構造を構成している。

【0026】

第１分流路１０４および第２分流路１０５は隣接し、それぞれ所定の曲率で円弧を描くように湾曲している。

【0027】

第２分流路１０５の途中には、湾曲した第２分流路の外周側の側面に開口１０５ｃが設けられ、第３分流路１０６の入口１０６ａが接続されている。この構造は、第２分流路１０５を流れてきた第２の空気から、所定の第２の粒径（３０μｍ）より大きい粒子を含む第３の空気を分流して、第３分流路１０６に流入させる第２分粒構造部を形成している。また、第２分流路１０５は、図７に示すように、開口１０５ｃの手前で、第２分流路１０５を流れる第２の空気の流速を減速させるために、流路径ｆが、第２分流路１０５の入口１０５ａ近くの流路径ｅよりも広げられている。

【0028】

これにより、第２分流路１０５を流れてきた第２の空気に含まれる所定の第２の粒径（３０μｍ）以下の粒子は、第２の空気とともに減速され、湾曲した第２分流路１０５に沿って湾曲するが、第２の粒径（３０μｍ）より大きい粒子は、慣性力によって第２分流路１０５を曲がり切れず、直進し、開口１０５ｃから第３分流路１０６の入口１０６ａに入る。これにより、第２分流路１０５を流れる第２の空気に含まれる粒子は、第２の粒径（３０μｍ）以下であって、第１の粒径（２．５μｍ）より大きい粒子（ＰＭ３０）になる。

【0029】

第１分流路１０４の出口１０４ｂおよび第２分流路１０５の出口１０５ｂは隣接しており、いずれも照射空間１０８に接続されている。照射空間１０８は、発光部１１０から照射された光の光路が横切る空間である。ここで発光部１１０は、一つであり、照射した光が照射空間１０８内の第１分流路１０４の出口１０４ｂの前と、第２分流路１０５の出口１０５ｂの前をこの順に通過するように配置されている。よって、第１分流路１０４および第２分流路１０５を流れてきた第１の空気および第２の空気は、照射空間に流れ込むが、互いが混合しあう前に、発光部１１０からの光が照射される。

【0030】

第１の空気には、第１粒径以下の粒子（ＰＭ２．５）が含まれ、第２の空気には第１粒径より大きく第２粒径以下の粒子（ＰＭ３０）が含まれているため、発光部１１０から照射された光は、粒子によりそれぞれ散乱される。

【0031】

第１受光部１１は、第１分流路の出口に受光面を向けて配置され、第２受光部は、第２分流路の出口に受光面を向けて配置されている。これにより、第１の空気の第１粒径以下の粒子（ＰＭ２．５）により散乱された光は、第１受光部１１１の受光面に到達し、第２の空気の第１粒径より大きく第２粒径以下の粒子（ＰＭ３０）により散乱された光は、第２受光部１１２の受光面に到達する。

【0032】

よって、第１受光部１１１は、粒子（ＰＭ２．５）により散乱された光を受光し、第２受光部１１２は、粒子（ＰＭ３０）により散乱された光を受光する。第１受光部１１１と第２受光部１１２の出力を、基板２３上の増幅回路１１３で増幅したのち、マイコン（ＣＰＵ）１１４で処理することにより、粒子（ＰＭ２．５）の濃度と、粒子（ＰＭ３０）の濃度を検出し、エアコンパネル４に表示させることができる。

【0033】

このように、本実施形態の微粒子センサ１は、１つの発光部１１０と、２つの受光部１１１，１１２を用いた簡素な構成でありながら、２種類の粒径範囲に粒子を分流し、それぞれの濃度を同時に測定することができる。

【0034】

＜詳細な構造と機能＞
本実施形態の微粒子センサ１の構成と、各部の機能について、さらに詳しく説明する。

【0035】

図６に断面図を示したように、取込流路１０２は、その出口１０２ｂにおいて、流れる空気の流速を高めるために、出口付近の粒子加速部１０２ｃの流路径が狭められている。

【0036】

排出口１０７は、ＨＶＡＣから一定の流速で吸引されている。そのため、取込口１０１から車室内の空気が吸入されて流入する取込流路１０２において粒子加速部１０２ｃの流路径が狭められていることにより、空気の流れは加速され、それと同時に微粒子も加速されて、一つ目の分粒構造部である分粒空間１０３に流れ込む。分粒空間１０３において、ＰＭ２．５以下の粒子は、主流の空気とともに曲がって第１分流路分粒空間に流入する。ＰＭ２．５より大きい粒子は、慣性力によって曲がり切れずに直進し、第２分流路１０５に流入する。

【0037】

第２分流路１０５に流入した粒子は、２つ目の分粒構造部の流路径が流路径ｆに広がった部分で減速され、ＰＭ３０以下の粒子は、主流の空気の流れとともに湾曲した第２分流路１０５を曲がるが、ＰＭ３０より大きい粒子は、慣性力によって第２分流路１０５を曲がり切れずに直進し、開口１０５ｃから第３分流路１０６に入る。

【0038】

図８（ａ）に示したように、第１分流路１０４の出口１０４ｂから流出したＰＭ２．５の粒子は、検出空間１０８ａにおいて、発光部１１０からの光を散乱し、その散乱光が受光部１１１へと入る。第２分流路１０５の出口１０５ｂから流出したＰＭ３０の粒子は、検出空間１０８ｂにおいて、発光部１１０からの光を散乱し、その散乱光が受光部１１２へと入る。

【0039】

図９，図１０に示したように、発光部１１０は、基板２３上に搭載された発光素子１１０ａと、レンズ１１０ｂとを含む。発光素子１１０ａから発せられた光は、レンズ１１０ｂで集光されて検出空間１０８ａ，１０８ｂに照射される。

【0040】

受光部１１１，１１２は、基板２３上に搭載された受光素子１１１ａ，１１２ａと、レンズ１１１ｂ，１１２ｂとを含む。検出空間１０８ａでＰＭ２．５により散乱された光は、レンズ１１１ｂで集光されて受光素子１１１ａにより散乱光強度に応じた電気信号に変換される。同様に、検出空間１０８ｂでＰＭ３０により散乱された光は、レンズ１１２ｂで集光されて受光素子１１２ａにより散乱光強度に応じた電気信号に変換される。

【0041】

これらの電気信号（電流）を、増幅回路１１３により増幅し、マイコン（ＣＰＵ）１１４により、測定時間に対してプロットする（図１１（ａ）、（ｂ））。マイコン（ＣＰＵ）１１４は、プロットした電流値を積算して平均化し、得られた平均の電流値（図１１（ｃ）、（ｄ））を、予め求めておいた粒子の濃度ごと平均の電流値と比較することにより、粒子の濃度を算出する。

【0042】

算出されたＰＭ２．５の濃度およびＰＭ３０の濃度は、エアコンパネル４に表示される。

【0043】

なお、本実施形態では、ＰＭ３０の検出空間１０８ｂを、ＰＭ２．５の検出空間１０８ａよりも発光素子１１０ａから遠くに配置している。これは、図１１（ａ）～（ｄ）に示した通り、ＰＭ３０の方が、散乱光強度が大きいため、この位置関係でも両方の微粒子の散乱光を検出可能だからである。

【0044】

＜発光素子１１０ａと受光素子１１１ａ、１１２ａの位置関係＞
実施形態の微粒子センサ１は、粒子からの散乱光を集めてその濃度を検出するセンサである。よって、ノイズの影響を少なくするために、より強い散乱光を集めて受光素子１１１ａ、１１２ａに受光させることが望ましい。散乱光強度は、光の波長と粒子の大きさ（粒径）、散乱角度、微粒子の屈折率に依存するが、ＰＭ２．５、ＰＭ３０の場合、図８（ｂ）に示したように、いずれも散乱角度０度の方向が最も散乱光強度が大きくなり、散乱角度が大きくなるほど散乱光は減少していく傾向がある。一方で、発光素子１１０ａの光が、微粒子センサ１内で反射して、反射光（迷光）が受光素子１１１ａ，１１２ａに入り、ノイズの原因となることも考えられる。そのため、本実施形態では、発光素子１１０ａと受光素子１１１ａ、１１２ａの光軸がなす角度θを６０度に設定している（図８（ａ））。

【0045】

＜分粒原理＞
ここで、分粒空間１０３において、分粒を実現できる原理について詳ししく説明する。

【0046】

取込流路１０２の狭められた粒子加速部１０２ｃにおいて加速された各粒径の粒子はいずれも、出口１０ｂから分粒空間１０３に初速度ｖ_０で飛び出す。

【0047】

粒子の分粒空間１０３の通過時間をｔとすると、粒子が分粒空間１０３を通過する間、各粒子には、第１分流路１０４が空気を吸引するため、風力Ｆ_１がかかる。したがって分粒空間１０３を通過するまでに風力Ｆ_１によって、粒子は第１分流路１０４の入口１０４ａに距離（Ｆ_１ｔ^２／２ｍ） だけ近づく（ただし、ｔは時間、ｍは、粒子の質量である）。

【0048】

ｔが同じ値のとき（ある一定時間内において）、この距離は、（Ｆ_１ｔ^２／２ｍ）＝（定数）×（１／ｒ）と変形できる（ｍ＝ｄ×（４／３）πｒ^３、Ｆ_１（風圧）×（面積）＝（１／２）ρｖ^２×πｒ^２、ただし、ｄは粒子密度、ｒは粒子の半径、ｖは風速、ρは空気の密度である）。

【0049】

したがってこの距離（Ｆ_１ｔ^２／２ｍ）は、小さい粒子（ｒ、ｍが小さい）の方が、大きい粒子（ｒ、ｍが大きい）よりも長い。

【0050】

粒子の第１分流路１０４の入口１０４ａへの移動距離（Ｆ_１ｔ^２／２ｍ）が、第２分流路１０５の入口１０５ａの流路の高さｄ_２と、取込流路１０２の出口１０２ｂの流路の高さｄ_１との差ｄ_２－ｄ_１よりも大きい場合、粒子は、第２分流路１０５の入口１０５ａには到達せず、第１分流路１０４の入口１０４ａに到達する。

【0051】

逆に、粒子の第１分流路１０４の入口１０４ａへの移動距離（Ｆ_１ｔ^２／２ｍ）１が、流路幅の差ｄ_２－ｄ_１よりも小さい場合、第２分流路１０５の入口１０５ａに到達する。

【0052】

また、粒子が分粒空間１０３を通過する時間ｔが、緩和時間ｔ_１よりも短い、もしくは同じとき、粒子が分粒空間１０３を通過する時間ｔは、ｔ＝Ｌ／ｖ_０で表される。粒子が、十分に加速されて取込流路１０２の出口１０２ｂから初速度ｖ_０（各粒子で等しい）で飛び出すとき、通過時間ｔは、各粒子で等しい。したがって小粒子ほど、流路１側に進む。

【0053】

一方、分粒空間１０３の通過時間ｔが、緩和時間ｔ_１よりも長い時、緩和時間ｔ１は、ｔ_１＝ｍｃ／（３πμｒ）＝（定数）×Ｃｒ^２である。ただし、Ｃはカニンガムの補正係数であり１程度であるため、ｔ_１＝（定数）×Ｃｒ^２≒（定数）×ｒ^２である。

【0054】

したがって緩和時間は、大きな粒子ほど長く、大きな粒子ほど時間経過による減速具合は小さい。

【0055】

逆に言うと、小さい粒子ほど短い時間で減速され、分粒空間１０３の通過に時間がかかる。

【0056】

上記のことから、小さい粒子ほど、第１分流路１０４の入口１０４ａ側に進み、第１分流路１０４の入口１０４ａに到達し、大きな粒子は、直進して第２分流路１０５の入口１０５ａに到達することがわかる。

【0057】

よって、取込流路１０２の出口１０２ｂから分粒空間１０３に飛び出す流れの初速度ｖ_０、分粒空間１０３の距離Ｌ、取込流路１０２の出口１０２ｂの高さｄ_１と、第２分流路１０５の入口１０５ａの高さｄ_２を設計することにより、粒径２．５μｍ以下の粒子を第１分流路１０４に到達させ、それよりも大きな粒子を第２分流路１０５に到達させることができる。

【0058】

＜粒子加速部１０２ｃの流路幅ｂ＞
取込流路１０２の出口１０２ｂから分粒空間１０３に飛び出す流れの初速度ｖ_０は、粒子加速部１０２ｃの流路幅ｂにより調整できる。

【0059】

図６のように、取込流路１０２の粒子加速部１０２ｃ（地点Ｐ）の流路幅ｂは、取込流路１０２の入口１０２ａ（地点Ｑ）の流路幅ａに対して、ａ＞ｂである。地点Ｑと地点Ｐの流路の断面積をそれぞれＳ_１、Ｓ_２とするとＳ_１＞Ｓ_２となる。また地点Ｑと地点Ｐの流速をそれぞれｖ_１、ｖ_２とすると、地点Ｑと地点Ｐで一定時間の流量は等しいので、
Ｓ_１×ｖ_１＝Ｓ_２×ｖ_２
の関係にある。Ｓ_１＞Ｓ_２から、ｖ_２＞ｖ_１となる。

【0060】

したがって地点Ｐは地点Ｑよりも流速が速く、微粒子が加速される。

【0061】

ここでは、微粒子の分粒のために必要な初速度ｖ_０まで流速を加速するように、流路幅ｂを設計している。

【0062】

＜第２分粒構造部の流路径ｆ＞
一方、図７に示すように、第２分流路１０５の第２分粒構造部において、開口１０５ｃの手前（地点Ｒ）で、第２分流路１０５を流れる第２の空気の流速を減速させるために、流路径ｆが、第２分流路１０５の入口１０５ａ近く（地点Ｕ）の流路径ｅよりも広げられていることについてさらに説明する。

【0063】

地点Ｕと地点Ｒの断面積をそれぞれＳ_３、Ｓ_４とするとＳ_４＞Ｓ_３となる。また地点Ｕと地点Ｒの流速をそれぞれｖ_３、ｖ_４とすると、地点Ｕと地点Ｒで一定時間の流量は等しいので、
Ｓ_３×ｖ_３＝Ｓ_４×ｖ_４
の関係にある。Ｓ_４＞Ｓ_３から、ｖ_３＞ｖ_４となる。

【0064】

したがって、地点Ｒは、地点Ｕよりも流速が遅く、微粒子が減速される。

【0065】

ここでは、ＰＭ３０よりも大きい粒子を直進させて、開口１０５ｃから第３分流路１０６に到達させて分粒するために必要な速度まで、地点Ｒにおいて流速を減速させることができる流路径ｆを広げている。

【0066】

＜温湿度センサ＞
図９に示すように、本実施形態では、温湿度センサ２３１は、基板２３の下端に搭載されている。これにより、温湿度センサ２３１は、第１分流路１０４の出口１０４ｂ、第２分流路１０５の出口１０５ｂおよび第３分流路１０６の出口１０６ｂから流れ出た空気がすべて合流する排出口１０７の手前の空間に配置され、微粒子センサ１内に吸入した空気の温度と湿度を測定する。

【0067】

＜微粒子センサ１の組み立て手順＞
組み立て方法は、まず、図３の示したケース２１に、レンズ１１０ｂ、１１１ｂ、１１２ｂを嵌合する。

【0068】

つぎに、カバー２４に、基板２３を嵌合する。

【0069】

ケース２１に、カバー２４を嵌合した後、ケース２１の上部に、フロントカバー２５を嵌合する。

【0070】

以上により、微粒子センサ１を完成させることができる。

【0071】

＜効果＞
本実施形態の微粒子センサ１は、ＰＭ２．５とＰＭ３０とを同時に測定することが可能である。ＰＭ２．５とＰＭ３０は、人への影響や、除去するために使用する集塵フィルタの種類が異なる。そのため、微粒子センサ１により、ＰＭ２．５とＰＭ３０の濃度を同時に知ることで、最適な空調制御を行うことができる。例えば、ＰＭ２．５用の高性能集塵フィルタを使用する、もしくは現在のフィルタのままで空調を制御するなど、対応方法を適切に選択することができる。また、人々も、使用するマスクの種類を選択する等、最適な予防方法を選択し、実践することができる。

【0072】

具体的には、ＰＭ２．５はすべての人に有害であるが、特に肺機能の弱い人に特に有害である。これに対してＰＭ３０もすべての人に有害であるが、特に花粉症の人にとって有害である。ＰＭ２．５とＰＭ３０の濃度にはっきりとした相関関係はないため、一方のみを測定しても、他方を推測することはできない。したがって、本実施形態の微粒子センサ１のように、同時に両方の濃度を測定することができることにより、多くの人にとって有用な情報を提供できる。

【0073】

また、ＰＭ２．５用の集塵フィルタは性能が高く、本来であれば常時使用したいが、圧力損失が大きく、機械や環境への負荷が大きい。そのため、空気中のＰＭ２．５とＰＭ３０を両方測定し、各微粒子の濃度に応じて、ＰＭ２．５の濃度が高い場合は、その濃度に応じて集塵フィルタ（ＨＥＰＡ（High Efficiency Particulate Air Filter）フィルタ）中性能フィルタを使い分け、ＰＭ２．５の濃度は高くないが、ＰＭ３０の濃度が高い場合には通常の集塵フィルタ（粗塵用フィルタ）を使う等の、適切なフィルタの選択が可能になる。よって、その時々に応じた最適な空調制御を実現できる。

【0074】

また、本実施形態の微粒子センサ１は、発光素子１個、受光素子２個により測定が可能なコンパクトな装置であるため、設置スペースが節約できる。

【0075】

また、本実施形態の微粒子センサ１は、２つの分粒構造部で、粒径２．５μ以下の粒子（ＰＭ２．５）、粒径２．５μｍより大きく、３０μｍ以下の粒子（ＰＭ３０）、粒径３０μｍより大きい粒子の３種類に分類することができる。

【0076】

しかも、分粒構造部は、いずれも大きな粒子が慣性力により直進する作用を利用した簡単な構成であるため、複雑な構造体を用いる必要がなく、簡素な微粒子センサ１でありながら、複数種類の分粒を一つのセンサ１内で一度に実現することができる。

【0077】

なお、本実施形態では、ＰＭ２．５とＰＭ３０を測定したが、分粒構造部の寸法（ａ、ｂ、ｅ、ｆ）等を変更することで、異なる粒径範囲の微粒子のセンシングが可能である。例えば、ＰＭ２．５と同様に、危険視されているＰＭ１０等の濃度を測定することができる。

【0078】

受光素子の波長や数を増やすことにより、センシングできる空気中の微粒子の種類を増やすことができる。

【0079】

＜微粒子センサ１が適用される製品＞
上記実施形態では、車両内に微粒子センサ１を搭載した例を示したが、車内だけではなく、微粒子の存在が脅威になる場所で稼働する製品に搭載することができる。例えば、エアコン、空気清浄機、通気口等である。

【符号の説明】

【0080】

１ 微粒子センサ
４ エアコンパネル
１０ 車両
１０ｂ 出口
２１ ケース
２３ 基板
２４ カバー
２５ フロントカバー
３０ 粒径
５０ 粒径
Ｆ１ 風力
ｄ２ 差
ｔ１ 緩和時間
ｖ_０ 初速度
１０１ 取込口
１０２ 取込流路
１０２ａ 入口
１０２ｂ 出口
１０２ｃ 粒子加速部
１０３ 分粒空間
１０４ 第１分流路
１０４ａ 入口
１０４ｂ 出口
１０５ａ 入口
１０５ｂ 出口
１０５ｃ 開口
１０６ａ 入口
１０６ｂ 出口
１０７ 排出口
１０８ 照射空間
１０８ａ 検出空間
１０８ｂ 検出空間
１１０ 発光部
１１０ａ 発光素子
１１０ｂ レンズ
１１１ 受光部
１１１ａ 受光素子
１１１ｂ レンズ
１１２ 受光部
１１２ａ 受光素子
１１２ｂ レンズ
１１３ 増幅回路
２３１ 温湿度センサ
Ｌ 距離
Ｐ 地点
Ｑ 地点
Ｒ 地点
Ｕ 地点
ａ 流路幅
ｂ 流路幅
ｅ 流路径
ｆ 流路径
ｔ 通過時間

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】